高效施工控制深槽段堤坝结构

常用的堤坝结构形式按照筑堤材料分，主要有土堤、抛石堤、土石混合堤、混凝土或钢筋混凝土堤等，在所有的堤型中，土堤和土石混合堤对地基的要求最低，抛石堤次之。堤坝结构形式按断面形状分，主要有斜坡式、直立式和混合式等。

针对东堤建设条件和特点，通过调研大量工程实例，探索研究了适应在水深、流急、浪大且较软弱复杂地基上建设堤坝的结构形式和筑造技术。借鉴国内外围海造地工程及海港工程中的深港防波堤、深水码头等深水筑堤技术的经验，并参照沉箱隧道设计及施工经验，对东堤深槽段堤型进行了多方案深入研究比选。比选方案总体上分为五种：一是抛石棱体斜坡堤，二是沉箱直立墙混合斜坡堤，三是钢筋混凝土沉箱直立堤，四是充泥管袋单棱体斜坡堤，五是抛填砂袋双棱体斜坡堤。

从建筑材料、施工条件、施工技术、结构可靠性以及工程造价等方面综合分析，抛填砂袋双棱体斜坡堤结构形式具有充分利用库内丰富砂料、抛填砂袋结构可靠、地基受力均匀、整体稳定性强、施工工艺相对简单、施工速度较快、造价较低等优点，值得推荐。其断面结构见图4-3。

图4-3 抛填砂袋双棱体斜坡堤结构断面图

深水段堤坝采用抛填砂袋双棱体斜坡堤结构的主要特点为抛填砂袋堤身和常规充填袋装砂斜坡堤的有机结合，根据堤坝实施顺序研究成果，深槽段堤身抬升推荐分为两阶段施工：一阶段先将堤基从原始滩面（约－10.5m）构筑到－3.0m高程，并保护渡汛；二阶段汛后开工，堤身继续抬升，至次年汛前完成渡汛断面结构施工。－3.0m高程以上的吹填砂筑堤设计、施工技术比较成熟。因此，重点研究的是一阶段深水筑堤方式及结构材料。目前国内缺乏深水水力充填筑堤的经验，－6.0m以下（水深大于8.0m）的吹填砂袋施工非常困难，质量也难以保证，传统常规成熟工艺设备难以满足要求。结合施工船机条件和水力特性，创新性地提出一阶段筑堤分两步：第一步采用水上抛填小砂袋逐步垫高堤基至－6.0m高程；第二步采用水下大尺度通长袋均衡抬高堤基至－3.0m。水下大尺度通长袋抗冲保砂效果较好，在洋山深水港工程中已有一定的应用，但仍须研究解决大规模高强度施工的铺设工艺、流程，以及高效组合设备开发研究。而对于抛填小砂袋结构，不仅需要研发解决深水抛填施工铺设工艺、设备、施工流程及保护等施工技术难题，还需要解决以下设计技术问题。

1）深水抛填砂袋袋布

抛填砂袋袋布设计主要在于抛填砂袋的保砂性、透水性、防堵性以及砂袋材料强度的可靠性。

砂袋的保砂性与袋体材料，与所充填的砂质有关。在施工过程中，特别是位于变动回水区和直接迎浪面的袋体材料，由于受水流和波浪作用，砂粒将从袋体布内析出。根据《水利水电工程土工合成材料应用技术规范》，土工织物保土性应以土工织物有效孔径（O95）与土的特征粒径之间关系表征，对于静载荷和单向渗流条件下其有效孔径应符合O95≤d85；对有动力作用和往复水流的情况不论保护何种土类材料其有效孔径应符合O95≤0.5d85；d85为被保护土的特征粒径即土中小于该粒径的土质量占总质量的85％。

为保证抛填砂袋施工充填效率，应保证渗透水通畅且不被细土粒淤堵，则抛填砂袋的袋布材料还应兼顾透水性和防堵性。防堵性要求，对于被保护土级配良好、水力梯度低、流态稳定、修理费用少及不发生淤堵时，其孔径应符合O95≥3d15；透水性要求，袋布材料渗透系数为充填砂的1～10倍。

抛填砂袋材料强度与抛投水深、水流强度、袋体体积形状、充填砂砂质以及充盈度有关。砂袋布强度是重要指标，包括拉伸强度、撕裂强度、握持强度、顶破强度、胀破强度、材料与土相互作用的摩擦强度等力学性能指标和抗老化性、抗化学腐蚀性等耐久性能指标，砂袋布各种强度指标目前还难以通过理论计算确定，主要是通过大量的工程调研和现场试验确定。

根据长江口地区多年工程实践经验，并通过大量的现场试验，来确定抛填袋装砂袋体的材料。先期选用了800g／m2的机织布、500g／m2的机织布、260g／m2的机织布进行试验，试验结果表明，800g／m2、500g／m2机织布的泌水性能不如260g／m2的机织布，在充灌砂的过程中，饱满度达不到设计要求，充灌效率也很低。后期又选用了410g／m2的复合布和260g／m2的机织布进行试验比较，前者布体的强度符合要求，且透水性较好，对于减少砂袋含水量、提高充灌率以及控制破袋率有一定作用，但相对来说成本较高；而260g／m2的机织布通过砂袋制作时增加排水袖口的措施，可弥补透水性较差的缺点，最终选用了260g／m2的机织布。260g／m2机织土工布具体指标见表4-2。

表4-2 土工布技术指标(www.xing528.com)

2）抛袋尺寸规格

抛填袋装砂需要水上船机施工，砂袋呈矩阵形排列于施工船舶的翻板上进行充灌，因此袋体的尺寸大小须与翻板的尺寸相对应，以方便充灌操作和抛填作业，在保证翻板承受能力的前提下，合理地选择袋体的尺寸，尽可能地多摆放砂袋个数，同时又要兼顾充灌船舶的充灌能力。

图4-4 抛填袋装砂不同尺寸对比

抛填袋装砂袋体的尺寸和规格一般来讲没有严格的要求，可根据施工区域的工况条件和施工船舶翻板的尺寸来选择袋体的尺寸。见图4-4，在青草沙水库东堤抛投试验和实践抛填袋装砂作业中，以6m×8m袋体和4m×6m袋体规格为例：6m× 8m规格的袋体一般可充入砂量为20～23m3（视砂质的不同还略有变化）左右，平均每立方米砂用袋布约为4.5m2；4m×6m规格袋体一般充入量仅为7～9m3，平均每立方米砂用袋布约为6m2。充灌袋装砂袋体的尺寸越大，每立方米充灌砂所用袋布越省，但受制于实际工况条件和施工船舶的生产能力，必须处理好成本与现场施工条件及能力的关系，找到一个合理的平衡点，才能取得最佳的实施效果。

为此选择了6m×8m、6m×6m、4m×6m、4m×4m、2.8m×2.8m等多种袋体尺寸进行抛投试验，实际施工均取得了成功，但考虑到经济性与施工效率匹配，最终采用的是6m×8m、6m×6m、4m×6m规格的袋体。每层砂袋厚度以0.6～0.8m为宜，充盈度控制在60％～70％，更有利于控制砂袋密实性。

3）抛填砂袋施工期稳定性

袋装砂棱体的抗滑稳定性主要取决于施工期顶部砂袋的稳定性。由于存在袋内砂体在波浪作用下单向搬移的不利因素，单层砂袋的临界稳定波高一般在1.5m以下。根据河海大学的深水航道整治工程物理模型试验成果，在袋装砂顶部覆盖了两层大砂袋，并对顶部两层砂袋作隔仓处理，其临界稳定波高可提高至2.8m。为此，深槽段堤坝在－5.0～－3.0m高程设通长高强充填袋装砂覆盖，兼作防冲覆盖层和过渡层，以满足施工期稳定性要求。因水深较大，为防止抛填时袋装砂破裂和增加抛填砂袋施工期的稳定性和密实性，要求抛投时上下两层砂袋按品字形排列，交叉重叠，并注意水流对其的影响，以大大提高砂袋的抗滑稳定性。

根据总体实施顺序要求，－3.0m高程需要渡汛，且在堤坝抬高过程中深槽段堤坝范围的水流流速将进一步加大，受水流冲刷强烈，大尺度管袋既需要有一定的强度又要有较好的保砂性能，因此袋布采用410g／m2高强复合土工布，内层采用150g／m2无纺土工布，外层为抗冲刷采用260g／m2机织土工布。

4）抛填砂袋施工期密实性控制

抛填砂袋堤身及堤基的密实性直接决定工程质量和安全。由于水流流速的影响，抛袋时砂袋入水后会产生一定距离的漂移，从而影响水下堤身实际成型效果。采用在砂袋上系浮漂的方法进行砂袋漂移试验，测出相同水深条件下各种规格的砂袋在涨急、落急情况下的大致漂移距离，依据测定结果对抛袋的施工参数进行相应调整。并通过检测浮漂位置和潜摸的方法检测实际抛放位置和抛放质量，及时对堤身断面进行测量，掌握水下袋装砂堤心断面成型情况，以指导现场施工，决定是否需要补抛、何处需要补抛。抛投试验和实践表明：结合施工经验、砂源情况等，采用抛填效率高的大型翻板船侧翻抛袋，并运用船载GPS和专用定位软件进行定位，抛填精度较高，确保了水下堤身成型质量。